Chapitre 5 - Dimensionnement des vannes de régulation
5.8 Dimensionnement des vannes pour les liquides
Voici une procédure pas-à-pas pour le dimensionnement des vannes de régulation des débits de liquide à l'aide des procédures ISA et CEI. Pour être précis, la méthode de dimensionnement n'est valable que pour les liquides qui ne contiennent qu'un seul composant ; les mélanges à plusieurs composants peuvent toutefois être utilisés, mais avec précaution.
Chacune de ces étapes est importante, et elles doivent toutes être prises en considération durant la procédure de dimensionnement de la vanne. Il est important de remarquer que les valeurs Cv et FL sont des ensembles cohérents. Si une valeur Cv différente est utilisée, la valeur FL correspondante pour la vanne donnée doit être tirée de la littérature du produit.
1. Spécifiez les variables nécessaires au dimensionnement de la vanne, comme indiqué ci-dessous :
Conception voulue,
Fluide de procédé (eau, huile, etc.) et
conditions de service appropriées
q ou w, P1, P2 ou ∆P, T1, ρ1/ρo, Pv, Pc et ν La capacité de reconnaître les termes qui sont appropriés pour une procédure de dimensionnement spécifique ne peuvent être obtenus que par l'expérience acquise en résolvant les différents problèmes de dimensionnement d'une vanne. Si l'un des termes suivants vous semble nouveau ou si vous ne le maîtrisez pas bien, consultez le tableau Abréviations et terminologie : il vous fournira une définition complète.
2. Déterminez les constantes de l'équation, N1 et N2.
N1 et N2 sont les constantes numériques contenues dans les équations de débit afin de vous permettre d'utiliser les différents systèmes d'unités. Les valeurs des différentes constantes et les unités applicables sont indiquées dans le tableau ci-dessus.
3. Déterminez FP, le facteur de géométrie du conduit, et FLP, le facteur de récupération de la pression du liquide ajustée pour les équipements raccordés.
Pour ces calculs, une valeur Cv estimée et la valeur FL correspondante sont utilisées.
FP est un facteur de correction qui correspond aux pertes de pression dues aux équipements raccordés sur le conduit comme les
réducteurs, coudes ou tés qui pourraient être montés directement sur les raccords d'entrée ou de sortie de la vanne de régulation à dimensionner. Si ces équipements sont montés sur la vanne, ils doivent être pris en considération. La procédure de dimensionnement standard prévoit une manière de calculer le facteur FP des réducteurs et des séparateurs concentriques.
Toutefois, si aucun équipement n'est prévu sur la vanne, FP a une valeur de 1,0 et elle ne compte simplement pas dans l'équation de dimensionnement. De plus, FLP = FL.
4. Déterminer la chute de pression à utiliser pour le dimensionnement, ∆Pdimensionnement.
Lorsque la différence entre la pression en amont et celle en aval est suffisamment grande, le liquide peut commencer à se vaporiser, ce qui provoque des à-coups dans le débit. Si la chute de pression réelle à travers la vanne, ∆P, est plus grande que la chute de pression qui provoque les à-coups du débit, la chute de pression du débit par à-coups,
∆Pà-coups, doit remplacer la chute de pression réelle.
5. Calculer Cv. Si cette valeur Cv n'est pas proche de l'estimation utilisée à l'étape 3, itérer en utilisant cette nouvelle valeur Cv, ainsi que la valeur FL correspondante tirée des informations du produit.
5.8.1 Déterminer le facteur de géométrie du conduit (FP) et le facteur de récupération de la pression du liquide (FLP) ajusté selon l'équipement
Déterminer un facteur FP si certains équipements, comme des réducteurs, des coudes ou des tés sont directement montés sur les raccords d'entrée et de sortie de la vanne de régulation à dimensionner.
Lorsque cela est possible, il est conseillé de déterminer les facteurs FP et FLP de manière expérimentale à l'aide de la vanne spécifiée dans des essais réels.
Toutefois, la méthode suivante permet d'obtenir une bonne approximation pour les réducteurs concentriques montés.
Dans l'équation précédente, le terme ΣK est la somme algébrique des coefficients de vitesse de perte de tête de tous les équipements qui sont montés sur la vanne de régulation.
Où
K1 = coefficient de résistance de l'équipement an amont
K2 = coefficient de résistance de l'équipement an aval
KB1 = coefficient de Bernoulli à l'entrée KB2 = coefficient de Bernoulli à la sortie et
Si les conduites en amont et en aval ont la même taille, les coefficients de Bernoulli sont également égaux, KB1 = KB2, c'est pourquoi ils sont éliminés dans l'équation ΣK.
L'équipement le plus communément utilisé dans les installations dotées d'une vanne de régulation est le réducteur concentrique court. Les équations pour cet équipement sont les suivantes :
pour un réducteur en entrée
pour un réducteur à la sortie
pour une vanne montée entre deux réducteurs identiques :
si l'on utilise une valeur FL correspondant à la valeur Cv pour la vanne sélectionnée,
5.8.2 Déterminer la chute de pression à utiliser pour le dimensionnement (∆Pdimensionnent)
Calculer le facteur du taux de pression critique du liquide :
Ensuite, déterminer la chute de pression due aux à-coups du liquide :
La chute de pression à utiliser dans le calcul du coefficient de débit voulu, ∆Pdimensionnement, est alors inférieure à la chute de pression du système réel, ∆P, et la chute de pression par à-coups, ∆Pà-coups.
Remarque : Si ∆Pà-coups < ∆P, le débit présente soit une cavitation, soit une détente. Si la pression à la sortie est plus grande que la pression de la vapeur du fluide, la cavitation provoque un débit par à-coups. Si la pression par à-coup est plus petite que la pression de la vapeur du fluide, le débit subit une détente.
Pour de plus amples informations concernant la cavitation et la détente, voir le paragraphe suivant de ce chapitre.
5.8.3 Calculer le coefficient de débit nécessaire (Cv)
Le coefficient de débit nécessaire pour faire passer la quantité voulue de débit est calculé comme suit :
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5.8.4 Difficulté d'échantillonnage du dimensionnement du liquide
Imaginez une installation qui, à la première mise en route du système, ne fonctionnera à sa capacité nominale maximum.
Les lignes sont dimensionnées pour la capacité totale du système, mais l'on veut maintenant installer une vanne de régulation dimensionnée pour les exigences prévues auparavant. La ligne mesure 8 pouces et un robinet à soupape de Classe 300 équipé d'une cage à égal pourcentage a été spécifié.
Des réducteurs concentriques standard seront utilisés pour installer la vanne sur le conduit. Déterminer la taille appropriée de la vanne.
1. Spécifiez les variables nécessaires au dimensionnement de la vanne.
Conception voulue de la vanne : robinet à soupape de Classe 300 avec cage à égal pourcentage et taille estimée de la vanne 3 pouces ; la vanne présente une ouverture complète Cv de 121 avec FL de 0,89
Fluide de procédé - propane liquide
Conditions de service q = 800gpm
P1 = 300 psig = 314,7 psia P2 = 275 psig = 289,7 psia
∆P = 25 psi T1 = 21°C (70°F) ρ1/ρo = 0,50 Pv = 124,3 psia Pc = 616,3 psia
2. Déterminez les constantes de l'équation, N1 et N2.
Selon le tableau Constantes d'équation, N1 = 1,0 et N2 = 890.
3. Déterminez FP, le facteur de géométrie du conduit, et FLP, le facteur de récupération de la pression du liquide ajustée pour les raccordements présents.
Trouvez avant tout les coefficients de résistance nécessaires lorsque la taille du conduit en amont et en aval est la même :
et
et
Calculez maintenant Fp :
Puis calculez FLP :
4. Déterminer la chute de pression à utiliser pour le dimensionnement, ∆Pdimensionnement.
Calculez avant tout le facteur du taux de pression critique du liquide :
La chute de pression par à-coups,
∆Pdimensionnement, est obtenue comme suit :
La chute de pression réelle étant plus faible que la chute de pression par à-coups :
5. Calculez la valeur Cv requise.
La valeur Cv de 125,7 est supérieure à la capacité de la vanne estimée, qui compte une valeur Cv de 121. Bien que cet exemple puisse indiquer de manière évidente que la plus grande taille suivante (NPS 4 (DN 100)) serait la juste taille de vanne, cela pourrait ne pas toujours être valable et il est conseillé dans ce cas de répéter la procédure ci-dessus.
Imaginez à présent une vanne NPS 4 (DN 100), Cv = 203 et FL = 0,91. Ces valeurs sont déterminées à partir du tableau de coefficient de débit pour un robinet à soupape de Classe
300, NPS 4 (DN 100) Fisher ES équipé d'une cage à égal pourcentage.
Recalculez la valeur Cv en utilisant la valeur estimée Cv de 203 dans le calcul Fp
et
et
Cette solution indique uniquement que la vanne NPS 4 (DN 100) est suffisamment grande pour satisfaire aux conditions de service données. Toutefois, dans certains cas une estimation précise de la valeur Cv pourrait être nécessaire. Dans ces cas, la valeur Cv requise devrait être déterminée à l'aide d'une nouvelle valeur Fp, en fonction de la valeur Cv obtenue ci-dessus.
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Dans cet exemple, Cv est 121,7, ce qui amène le résultat suivant :
et
Cette valeur Cv nouvellement définie étant très proche de la valeur Cv utilisée au départ pour ce nouveau calcul (116,6 contre 121,7), la procédure de dimensionnement de la vanne est complète et la conclusion est qu'une vanne NPS 4 (DN 100) ouverte de 75% environ de la course totale devrait être adaptée aux spécifications requises. Notez que dans ce cas, il ne sera pas nécessaire mettre à jour les valeurs FL et FLP. Si la valeur FL doit changer dans les différentes itérations, elles devront être mises à jour et la valeur Cv devra être recalculée.